Andrzej TOR Kazimierz GATNAR Jastrzêbska Spó³ka Wêglowa S.A. ul. Armii Krajowej 56 44-330 Jastrzêbie-Zdrój Proceedings of International Scientific Conference "Geothermal Energy in Underground Mines" November 21-23, 2001, Ustroñ, Poland UJÊCIE I GOSPODARCZE WYKORZYSTANIE METANU POK ADÓW WÊGLA Z OBSZARU GÓRNICZEGO JASTRZÊBSKIEJ SPÓ KI WÊGLOWEJ S.A. W SKOJARZONYCH UK ADACH ENERGETYCZNO-CH ODNICZYCH DRAINAGE AND ECONOMICAL UTILIZATION OF METHANE-GAS FROM COAL SEAMS IN THE MINING FIELD JASTRZÊBIE COAL COMPANY IN COGENERATION POWER SYSTEM STRESZCZENIE ABSTRACT Referat przedstawia zasoby metanu pok³adów wêgla w obszarze górniczym JSW S.A., wielkoœæ ujêcia, jak równie kierunki wykorzystania zarówno w zak³adach JSW S.A., jak innych podmiotach prawnych utworzonych na bazie jej maj¹tku. Na przyk³adzie dotychczasowych dzia³añ wynikaj¹cych z realizacji programów w okresie 1998-2000 pokazano dynamikê wzrostu wykorzystania metanu. Przedstawiono perspektywy zwiêkszenia ujêcia metanu uwzglêdniaj¹ce mo liwoœci wykorzystania oraz program restrukturyzacji górnictwa. Omówiono popyt i poda metanu bior¹c pod uwagê rzeczywiste i potencjalne mo liwoœci. Dokonano oceny stopnia realizacji programów energetycznych oraz ich wp³ywu na redukcjê emisji do atmosfery tak metanu, jak innych zanieczyszczeñ. Przedstawiono ocenê wp³ywu realizowanych dzia³añ na skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciep³a dla potrzeb JSW S.A. i odbiorców zewnêtrznych. Zaprezentowano projekty dotycz¹ce zwiêkszenia udzia³u spalanego gazu, wykorzystania metanu w instalacji centralnej klimatyzacji kopalni "Pniówek" oraz doœwiadczalnej instalacji do wzbogacania mieszanek metanowych do parametru gazu ruroci¹gowego. Dokonano oceny programów bêd¹cych w realizacji pod k¹tem osi¹ganych efektów ekologicznych i ekonomicznych, jak równie rzeczywiste i potencjalne mo liwoœci dalszych dzia³añ. The paper presents resources and present status of coal seam methane from the mining field of JSW S.A., as well as trends in its application both in JSW S.A. plants and in other commercial law subjects, created on the basis of its assets. On the instance of actions and measures taken and programs carried out in the period 1998-2000, dynamics of growth of methane utilization was shown. Perspectives of methane drainage were presented, with regard to both work and realization of restructuring programs in the mining industry. Demand and supply of methane were discussed, taking into account real and potential opportunities. An assessment was made of realization status in respect to power industry programs, their impact on reduction of emissions to atmosphere both of methane and of other pollutants. An evaluation of influence exerted by these measures on the performance of cogeneration of heat and electricity was prepared. Projects in progress were presented, pertaining to increase of gas-firing in the existing boiler installations, investment projects referring to installation of gas engines for cogeneration of heat and electricity, utilization of distribution network for a maximum utilization of gas and designs of power generation systems using methane for air conditioning in the mines. An evaluation was made of the program in progress in its ecological and economical aspects, as well as real and potential opportunities for additional measures. * * * * * * I. WSTÊP Jastrzêbska Spó³ka Wêglowa SA prowadzi dzia³alnoœæ górnicz¹ w piêciu zak³adach górniczych, których obszar koncesyjny wynosi 122 km 2 i le y w po³udniowej czêœci Polski w s¹siedztwie granicy z Republik¹ Czesk¹ na terenie Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Na rys. 1 przedstawiono usytuowanie obszarów górniczych poszczególnych zak³adów. Przyznane koncesje dotycz¹ eksploatacji pok³adów wêgla oraz metanu pok³adów wêgla jako kopaliny towarzysz¹cej. I.1. Zasoby metanu. W z³o u koncesyjnym Jastrzêbskiej Spó³ki Wêglowej SA wg stanu na dzieñ 1.01.2001 r. zasoby przedstawiaj¹ siê nastêpuj¹co: Warunki geologiczne wystêpowania metanu w z³o- u wêglowym oraz s³aba desorpcja polskich wêgli powoduj¹, e uwolnienie gazu bez naruszenia struktury górotworu robotami górniczymi jest niewielkie. St¹d iloœæ uwalnianego metanu jest œciœle zwi¹zana z zakresem prowadzonych robót górniczych tak udostêpniaj¹cych jak w³aœciwej eksploatacji pok³adów wêgla. Recenzent / Reviewer: prof. dr hab. in. Kazimierz Twardowski 2
W tabeli nr 2. przedstawiono metanowoœæ relatywn¹ i absolutn¹ kopalñ wg stanu na marzec 2001 r. natomiast w za³¹czniku nr 1 przedstawiono strukturê ujêcia w kopalniach dla zobrazowania znacznych rozpiêtoœci dop³ywu gazu z poszczególnych wyrobisk. Otworami odmetanowania jest ujmowana mieszanina metanowo-powietrzna o koncentracji 50-60 % CH 4, która nie mo e byæ bezpoœrednio dostarczana do sieci komunalnej bez kosztownego oczyszczenia i wzbogacenia do parametrów gazu ruroci¹gowego. St¹d jedyn¹ mo liwoœci¹ na dzieñ dzisiejszy jest jej wykorzystanie w instalacjach przemys³owych. I.2. Aktualne ujêcie i zagospodarowanie metanu. Ryc 1. Lokalizacja Jastrzêbskiej Spó³ki Wêglowej S.A. Fig 1. Localization of Jastrzêbie Coal Company. Dotychczasowe negatywne doœwiadczenia firm zagranicznych w zakresie pozyskania metanu metod¹ otworów z powierzchni w partiach górotworu nieodprê- onego jedynie potwierdzi³y tezê o s³abym uwalnianiu metanu z takiego górotworu. Eksploatacja górnicza prowadzona obecnie w 100 % systemem na zawa³ dodatkowo uwalnia metan zawarty w górotworze pomiêdzy pok³adami wêgla. Metan uwalniany w trakcie prowadzonych robót górniczych jest œredniorocznie w ok. 40% ujmowany pod depresj¹ centralnych, powierzchniowych stacji odmetanowania do ruroci¹gów i przesy³any na powierzchniê a w 60 % odprowadzany z wyrobisk górniczych z powietrzem kopalnianym. Taki sposób odmetanowania powoduje, e strumieñ mieszanki jest sta³y, a koncentracja CH 4 waha siê w zale noœci od: - wahañ ciœnienia barometrycznego, - ró nego dop³ywu gazu z otworów drena owych, - szczelnoœci sieci do³owej licz¹cej kilkanaœcie km. Iloœæ powietrza odprowadzanego z kopalñ JSW SA wynosi ok. 130 mld m 3 na rok, a œrednia zawartoœæ metanu w szybach wentylacyjnych wynosi ok. 0,13 % CH 4. Tak niska koncentracja metanu uniemo liwia jego techniczne i ekonomicznie uzasadnione, wykorzystanie. W tabeli nr 3 przedstawiono wielkoœæ ujêcia i stopieñ wykorzystania metanu w kopalniach w latach 1998-2000. Jedynie kopalnie "Jas-Mos", "Pniówek" i "Zofiówka" maj¹ mo liwoœci przesy³u gazu do odbiorów poza te kopalnie, w pozosta³ych zak³adach górniczych brak sieci gazoci¹gów powoduje, e ujêty metan mo e byæ wykorzystany jedynie na miejscu. Przesy³ gazu nastêpuje sieci¹ gazoci¹gów ³¹cz¹cych ww. kopalnie z t³oczni¹ Œwierklany o d³. ok. 30 km i œrednicach f 0 do f 500 którymi gaz p³ynie do Spó³ki Energetycznej Jastrzêbie SA EC "Moszczenica" i EC "Zofiówka". Sezonowoœæ odbioru gazu przy sta³ej jego poda y (co jest wynikiem stosowanej metody odmetanowania) powoduje, e wykorzystanie metanu waha siê obecnie od 90 % zim¹ do 55 % latem. W tabeli nr 4 przedstawiono parametry odbiorników metanu natomiast w tabeli nr 5 ujêcie i wykorzystanie metanu za rok 2000. Odbiorcami mieszanek metanowo powietrznych s¹: 1. W ramach JSW S.A.: - suszarnia flotokoncentratu wêglowego w kopalni "Krupiñski", - kot³ownia gazowa 2 x 1,2 MWt w kop. "Borynia". 2. Odbiory zewnêtrzne: - kot³ownia wêglowa z kot³ami WR-10 i WR- wyposa onymi w palniki gazowe oraz kocio³ gazowy PWPg-6 w kop. "Krupiñski" eksploatowane przez Spó³kê Energetyczn¹ Jastrzêbie Zak³ad nr 3 EEG - silnik gazowy typu TBG 632 V16 z generatorem elektrycznym o mocy 2,7 MWd w zak³adzie Nr 3 EEG - kot³y OP-140, OGG-64 i PWPg-6 w Elektrociep³owniach "Moszczenica" i "Zofiówka" wchodz¹cych w sk³ad Spó³ki Energetycznej Jastrzêbie S.A. - kocio³ wêglowy WR- i gazowy PWPg-5 oraz silniki gazowe typu TBG 632 V 16 z generatorami elektrycznymi o mocy 2 x 3,2 Mwel w ciep³owni "Pniówek" wchodz¹cej w sk³ad SEJ SA. Przesy³ gazu do SEJ S.A. EC "Moszczenica" i EC "Zofiówka" nastêpuje sieci¹ gazoci¹gów o d³. ok. 30 km, która ze wzglêdu na szkody górnicze i zawodnienie (przesy³ nieosuszonego gazu) ma silnie ograniczon¹ przepustowoœæ. Wp³yw szkód górniczych oraz okres eksploatacji przekraczaj¹cy lat kwalifikuje prawie ca³¹ sieæ do wymiany w okresie najbli szych 3-5 lat. 226
Tabela 1. Zasoby metanu w JSW S.A. Table 1. Methane resources in JSW S.A. Powierzchnia Zasoby metanu do g³êbokoœci 1000 m Wydobycie wêgla Kopalnia obszaru górniczego [mln m 3 CH 4] [km 2 za 2000 r. [Mg] ] Bilansowe Razem przemys³. Borynia 17,4 2.176.300 667,19 147,70 Jas-Mos 32,5 2.946.500 264,69 47,90 Krupiñski 27,2 2.076.220 1.568,16 126,22 Pniówek 28,5 3.626.100 3.962,00 800,00 Zofiówka 16,4 2.205.300 1.323,91 186,04 JSW SA 122,0 13.030.420 7.785,95 1.174,86 Kopalnia Tabela 2. Metanowoœæ kopalñ Table 2. Methane-bearing capacity of mines Metanowoœæ relatywna Metanowoœæ absolutna [m 3 /min] [m 3 /Mg] wentylacja Odmetanowanie razem Efektywnoœæ odmetanowania [%] Borynia 3,70 24,00 1,00,00 4,00 Jas-Mos 8,28 47,35 18,49 65,84 28,08 Krupiñski 19,29 42,99 31,86 74,85 41,65 Pniówek 30,48 135,30 77,00 212,30 36,27 Zofiówka 21,53 61,40 51,10 112,50 45,42 JSW SA 13,15 311,04 179,45 490,49 36,59 Tabela 3. Ujêcie i wykorzystanie metanu [tys.m 3 CH 4 ] Table 3. Utilization of methane in mines [th. m 3 CH 4 ] Kopalnia ujêcie 1998 1999 2000 straty stop. stop. wykorz. ujêcie straty wykorz. ujêcie straty stop. wykorz. Borynia 1.869,5 974,1 48 1.438,1 671,1 53 2.064,0 996,7 52 Jas-Mos 11.733,8 417,1 96 11.245,5 394,4 96 10.553,3 640,9 94 Krupiñski 9.978,7 5.331,0 69 12.579,5 2190,3 83 12.755,8 3.218,9 75 Morcinek * 53.405,0 2.799,5 72 3.291,3 755,5 77 - - - Pniówek 51.018,3 20.318,4 62 52.730,1 18.768,3 64 51.018,3 18.472,8 64 Zofiówka 19.566,9 2.073,5 89 19.658,0 1.055,0 95 20.062,1 1.129,6 94 JSW SA 113867,3 31.913,6 72 100.937,9 23.835,3 76 96.453,5 24.458,9 75 * Kop. "Morcinek" zosta³a postawiona w stan likwidacji z dniem 31.12.1998 r. a proces ca³kowitej likwidacji zakoñczy³ siê w dniu 31.12.2000 * "Morcinek" coal mine was closed on 31.12.1998 and the process of total liquidation was ended on 31.12.2001 II. PROGRAMY WYKORZYSTANIA METANU Dla zwiêkszenia stopnia wykorzystania metanu, a tym samym zmniejszenia emisji do atmosfery (w roku 1995 by³o to 38,37 mln m 3 CH 4 ) zosta³ opracowany w JSW SA program, który zak³ada realizacjê przedsiêwziêæ umo liwiaj¹cych pe³ne zagospodarowanie metanu ujêtego odmetanowaniem po roku 2001. Przedsiêwziêcia te dotyczy³y takiej przebudowy, modernizacji i rozbudowy uk³adów energetycznych w SEJ SA i EEG Suszec Sp. z o.o., realizacji nowych inwestycji, (uk³ad klimatyzacji centralnej w kop. "Pniówek", instalacja do wzbogacania mieszanek metanowych do parametrów gazu ruroci¹gowego) aby by³o mo liwe pe³ne wykorzystanie ujmowanego metanu, a docelowo umo liwia³o intensyfikacjê ujêcia do³owego, dla ograniczenia tym samym iloœci metanu usuwanej z kopalni na drodze wentylacyjnej. 227
Kopalnia Odbiór Znamionowe zu ycie [m 3 /min] mieszanki Tabela 5. Ujêcie i wykorzystanie metanu za rok 2000 Table 5. Drainage and utilization of methane in 2000 Miesiêczne zu ycie [ tys.m 3 ] 10 150 Borynia Kot³y HVTO 100/410 2 x 1,2 MW t Jas-Mos R. Moszczenica Suszarki ROW-2 50 180 Krupiñski Kocio³ PWRg-6 Suszarka ROW 27 100 100 Pniówek - - - Zofiówka - - - SEJ SA EC Moszczenica Kot³y OCG-64 50 100 (max. 140) 2 300 3 300 Kocio³ PWPg-5 Gcal/h SEJ SA EC Zofiówka Kot³y OP-140 30 70 (max. 70) 1 500 2 500 Kocio³ PWPg 6 Gcal/h SEJ SA Ciep³ownia Pniówek Kocio³ WR- Kocio³ PWPg-5 Gcal/h Agregat TBG 632 V 16 20 35 700 800 2000 EEG Suszec Sp. z o.o. Tabela 4. Parametry odbiorników metanu Table 4. Parameters of methane receivers Kocio³ PWPg-6 Gcal/h Agregat TBG 632 V16 30 700 1 800 Kopalnia Ca³kowita iloœæ ujmowanego metanu (100 % CH 4) [tys.m 3 /rok] ¹czna iloœæ i udzia³ % zagospodarowanego metanu [tys. m 3 /rok] Zagospodarowanie ujêtego metanu (100 % CH 4) [%] Iloœæ metanu [tys. m 3 /rok] Wyszczególnienie Sposób wykorzystania Borynia 2.064,0 1.067,3 52 10.067,3 Kot³y gazowe 2 x 1,2 MW t Jas-Mos R. Moszczenica 10.553,3 9.912,4 94 1.011,5 8.900,9 Suszarnia flotokoncentratu EC Moszczenica Krupiñski 12.755,8 9.536,9 75 8.135,0 Agregat TBG 632 V16 1.401,9 Suszarnia flotokoncentratu Pniówek 51.018,3 32.545,5 64 1.070,9 9.888,4 8.396,3 4.743,8 8.446,1 Suszarnia kop. Jas-Mos Mos EC Moszczenica EC Zofiówka Agregaty TBG 632 V 16 Ciep³ownia Pniówek Zofiówka 20.062,1 18.932,5 94 18.932,5 EC Zofiówka JSW SA 96.453,5 71.994,6 75 4.551,6 8.135,0 59.308,0 54.564,2 4.743,8 Zak³ady JSW SA EEG Suszec SEJ S.A. w tym: Elektrociep³ownie Agregaty TBG 632 V 16 Programy zosta³y oparte o nastêpuj¹ce kierunki dzia³ania: - zmniejszenie emisji nadmiarowego metanu oraz zanieczyszczeñ py³owych i gazowych przez modernizacje kot³ów oraz rozbudowê o nowe jednostki produkcyjne, - rozbudowa uk³adów energetycznych o jednostki produkcyjne na bazie silników gazowych do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciep³a, - wykorzystanie metanu w instalacjach centralnej klimatyzacji kopalni (skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej oraz ciep³a i "ch³odu"), - wzbogacanie mieszanek metanowych, 228 - magazynowanie chwilowych nadmiarów metanu. Poszczególne zadania s¹ realizowane albo samodzielnie przez JSW SA lub wspólnie z innymi podmiotami jak SEJ SA i EEG Suszec Sp. z o.o. I tak: 1. Zrealizowano przez Spó³kê Elektro-Energo-Gaz "Suszec" Sp. z o.o. zabudowê agregatu pr¹dotwórczego na bazie silnika gazowego firmy MWM DEUTZ Niemcy TBG 632 V16 o mocy 2,7 MWel + 3,1 MWt wykorzystuj¹cego metan z kop "Krupiñski". Inwestycja zosta³a zakoñczona w grudniu 1997. Poni ej przedstawiono raport dobowy z pracy agregatu w dniu 1.03.2001
Ryc 2. Skojarzony uk³ad energetyczno-ch³odniczy Fig 2. Combined cooling & power system Ryc 3. Schemat blokowy instalacji pilotowo - doœwiadczalnej Fig 3. Scheme of pilot-experimental instalation 2. W roku 2000 zrealizowano uk³ad centralnej klimatyzacji kop. "Pniówek" na bazie 2 silników gazowych o mocy 3,2 MWel i 3,7 MWt firmy DEUTZ Niemcy wykorzystuj¹cych metan z odmetanowania kopalni "Pniówek". By³ on realizowany dwuetapowo: I etap - 2,5 MWch w czerwcu 2000 II etap - 2,5 MWch w paÿdzierniku 2000 st¹d pe³ne efekty zostan¹ osi¹gniête dopiero w roku 2001. 3. Zrealizowanie zadañ w zakresie modernizacji uk³adów kot³owych w elektrociep³owniach pozwoli³o w sposób znacz¹cy zwiêkszaæ iloœæ spalanego metanu. EC "Zofiówka" 1996 29 mln m 3 1997 31 mln m 3 1998 33 mln m 3 1999 36 mln m 3 2000 36 mln m 3 229
Tabela 6. Raport dobowy z pracy TBG 632 V16 w EEG Suszec Sp. Z o.o. z dnia 1.03.2001 r. Table 6. Company on 1 March 2001. Exemplary report of TBG 632, V-16 operation in "EEG Suszec" Lp. Wyszczególnienie m-c luty 2001 Od uruchomienia 1. Godziny pracy [h/min] 1h 10 24.909h 2. Zu ycie gazu [m 3 ] 174.000 17.379.512 3. Koncentracja CH 4 [%] 58 56 4. Moc [kw] 3.377 2.565 5. Produkcja energii elektrycznej [kwh] 848.496 64.102.402 6. Wartoœæ produkcji energii elektrycznej [PLN] 95.527 8.429.527 7. Produkcja ciep³a [GJ] 1.805 130.489 8. Wartoœæ produkcji ciep³a - ca³kowita 36.100 2.837.395 - sprzedana 35.660 2.802.949 9. Koszt eksploatacji 4.861.000 - robocizna 154.899 - energia 279.750 - materia³y 2.309.070 Potrzeby ciep³ownicze w okresie sezonu grzewczego powoduj¹, e w okresie XI-II popyt przekracza poda. Równoczeœnie nale y dodaæ, e od roku 2000 zrealizowana inwestycja silników gazowych stanowi siln¹ "konkurencjê" w zakresie dostaw gazu do uk³adów kot³owych Elektrociep³owni. 4. W trakcie realizacji jest instalacja doœwiadczalna do wzbogacania mieszanek metanowych do parametrów gazu ruroci¹gowego metod¹ VPSA o do celowej wydajnoœci 20 mln m 3 /rok. Na ryc. 2 przedstawiono schemat blokowy instalacji. Dzia³ania zwi¹zane z realizacj¹ instalacji s¹ prowadzone przy wspó³pracy z AGH Kraków przy wsparciu œrodkami Komitetu Badañ Naukowych Warszawa. Wyniki uzyskane na instalacji wielkolaboratoryjnej by³y podstaw¹ podjêcia decyzji o realizacji instalacji doœwiadczalno-pilotowej. III. WNIOSKI KOÑCOWE 1. Realizacja w JSW S.A. programu wykorzystania metanu pok³adów wêgla w latach 1996-2000 pozwoli³a w znacz¹cy sposób zwiêkszyæ zagospodarowanie gazu ju ujmowanego oraz stworzyæ podstawy do realizacji przedsiêwziêæ umo liwiaj¹cych intensyfikacjê ujêcia do³owego, dla ograniczenia tym samym iloœci metanu usuwanego dotychczas z kopalni na drodze wentylacyjnej. 2. Dotychczasowa realizacja przedsiêwziêæ w zakresie modernizacji istniej¹cych uk³adów energetycznych dla zwiêkszenia udzia³u spalanego metanu, w pe³ni wykorzysta³a mo liwoœci niskonak³adowych inwestycji. Kolejne dzia³ania wymagaj¹ du ych nak³adów i ze wzglêdów ekonomicznych s¹ nieop³acalne. 3. Realizacja zabudowy silników gazowych dla wykorzystania metanu pok³adów wêgla do produkcji w skojarzeniu energii elektrycznej i ciep³a w EEG Suszec Sp. z.o.o. oraz energii elektrycznej, ciep³a i zimna w uk³adzie centralnej klimatyzacji kopalni "Pniówek" wykazuje wysok¹ efektywnoœæ ekonomiczn¹ tych przedsiêwziêæ, jednak ze wzglêdu na brak w³asnych œrodków dla sfinansowania przedsiêwziêcia i realizacja w oparciu o kredyty komercyjne powoduje, e w pierwszych 3-5 latach ca³y zysk jest przeznaczony na obs³ugê zad³u enia i sp³atê kredytu co z punktu widzenia inwestora nie jest korzystne. 4. Warunkiem uzyskania maksymalnych efektów ekonomicznych z silnika gazowego jest taki dobór wielkoœci instalacji i jej lokalizacji, aby by³o mo liwe wykorzystanie atrybutów rynku lokalnego a produkcja nie by³a "konkurencj¹" dla dotychczasowych producentów energii elektrycznej i ciep³a. 5. Dotychczasowe doœwiadczenia w zakresie pozyskiwania œrodków pomocowych (NFOŒ, WFOŒ, Eko Fundusz, Fundusze celowe i inne) dla realizacji przedsiêwziêæ proekologicznych (obni enie emisji metanu, CO 2 i py³ów, wp³yw na efekt cieplarniany) wskazuje e pomimo optymistycznie deklaratywnego charakteru tych œrodków, zawi³e i do koñca niejasne procedury powoduj¹, e mo liwoœæ pozyskania t¹ drog¹ realnych œrodków s¹ bardzo ograniczone. 6. Podjête dzia³ania w zakresie realizacji instalacji do wzbogacania mieszanek metanowych do parametrów gazu ruroci¹gowego i jego sprzeda do lokalnych sieci gazowych wykazuj¹ efektywnoœæ ekonomiczn¹ zdecydowanie wy sz¹ od realizacji uk³adów skojarzonych w których dostawa energii wyprodukowanej mo e nast¹piæ wy³¹cznie do uk³adów energetycznych kopalñ. 230